Fermions et bosons dégénérés au voisinage d'une résonance de Feshbach
Solitons d'ondes de matière
et condensat de molécules

Laboratoire Kastler Brossel
Université Paris VI

Julien Cubizolles

Systèmes quantiques dégénérés

Bosons

symétrisation de la fonction
d'onde à N corps

amplification bosonique

Condensation

de Bose-Einstein :
transition de phase

Fermions

antisymétrisation de la
fonction d'onde à N corps

principe d'exclusion de Pauli

Mer de Fermi

Objectifs

Bosons : Condensats de Bose Einstein (CBE)

utilisés depuis 1995

interaction attractive 3D effondrement

I Système 1D en interaction attractive : Soliton

Cornell,Wieman,Ketterle

Fermions

II Gaz de fermions en interaction forte

mélange bosons/fermions dégénérés

JILA,ENS

théorie de la superfluidité fermionique
supraconducteurs

Contrôle des interactions

Interaction dans les gaz ultra-froids

Pas d'interaction entre fermions identiques

Longueur de diffusion : a

section efficace de collision élastique

signe gouverne l'énergie d'interaction

répulsive

attractive

bosons

fermions

À basse température, seulement diffusion en onde s

Résonances de Feshbach

Contrôle expérimental des interactions

Variation de l'interaction avec B

2 potentiels et

couplage entre canal ouvert
et canal fermé

décalage dépend de B

Résonance pour

B

Modification de a

amplitude

signe

Techniques Expérimentales

1000 K : four

1 mK : refroidissement laser

10 µK : refroidissement évaporatif

Refroidissement de et

Imagerie par absorption

nombre d'atomes

distribution de position

distribution d'impulsion
après expansion

fermions

Exploration des résonances

piége optique

évaporation par diminution
de la profondeur

bobines de champ magnétique

Bosons : Solitons d'ondes de matière

Bosons dégénérés en interaction :

interaction répulsive

stabilité

coupure du confinement

étalement

taille donnée par les interactions

Bosons dégénérés en interaction :

3D

confinement : limité
avec

expansion : étalement

effondrement

1D

1D : compensation

dispersion naturelle

interaction attractive

stabilité sans confinement

et

Solitons d'ondes de matière

propagation dans un potentiel
extérieur avec :

propagation sans déformation

Comment réaliser un système 1D ?

confinement harmonique radial

énergie totale :

pas de confinement axial

piège optique

limité

Production d'un soliton

Stratégie

1 CBE 3D avec a>0

de a>0 à a<0

de 3D à 1D

Bobines

résonance de Feshbach

potentiel expulsant

dans |1,1>

Piège optique croisé de
géométrie variable

Propagation du soliton

|1,1>

évaporation a=6,5 nm

lâcher 1D

ajustement de a

Propagation du soliton

|1,1>

évaporation a=6,5 nm

lâcher 1D

ajustement de a

a=+0,1 nm

densité optique

z (mm)

-0.5

0.0

-1.0

dispersion naturelle
taille multipliée par 5

Propagation du soliton

|1,1>

évaporation a=6,5 nm

a=-0,2 nm

Soliton de 6000 atomes

(aussi trains de solitons à RICE University)

se propage sur 500 fois
sa taille sans déformation

8ms

lâcher 1D

ajustement de a

a=+0,1 nm

densité optique

z (mm)

-0.5

0.0

-1.0

dispersion naturelle
taille multipliée par 5

Le monde des solitons

ondes de perturbation

hydrodynamique

solitons noirs ou gris
dans des condensats

NIST,Hannovre

paquets d'ondes lumineux : fibres optiques

1ers paquets d'ondes de matière

ondes de particules

Le monde des solitons

ondes de déformation

hydrodynamique

solitons noirs ou gris
dans des condensats

NIST,Hannovre

solitons d'ordre supérieur

interactions entre solitons

}

restent à étudier

Fermions en régime d'interaction forte

Résonance de Feshbach entre fermions

mélange |1/2,1/2> et |1/2,-1/2>

dans deux états de spin

fermions en interaction forte

Stratégie

on amène B au voisinage de la résonance

coupure du piège

et bobines

mélange 1/2,-1/2 à B=1060 G (a<0)
ou B»0 G (a»0)

Energie d'interaction

Énergie d'interaction

limite unitaire

interaction attractive

système stable

(Heiselberg)

stabilité à résonance

interaction attractive à résonance

loin de résonance : champ moyen

pertes

résonance

changement de signe

dans la zone de pertes

molécules ?

pertes loin de résonance
≠ cas des bosons

Résonances de Feshbach et molécules

Problème à 2 corps

état lié pour a>0

de taille µ a

Formation

recombinaison à 3 corps
amplifiée à la résonance

mélange en : N1

: N2<N1

: N3>N2 ?

1

1

2

2

3

molécules piégées

«cachées» par : pertes
pour B<750 G

efficacité

( aussi JILA)

détection

4

Molécules !

conversion d'une fraction
macroscopique

e augmente avec

N3 comparable à N1 : réversible

Formation thermodynamique

Fraction moléculaire

Efficacité de formation

à B donné un grand
favorise les molécules

conservation de l'entropie fixe e et
T au point

2

équilibre thermo assuré par les
collisions à 2 et 3 corps

2

3

Efficacité de formation

à B donné un grand
favorise les molécules

conservation de l'entropie fixe e et
T au point

2

équilibre thermo assuré par les
collisions à 2 et 3 corps

2

3

Condensat de molécules

identification

traditionnellement : double structure de la
distribution d'impulsion transition de phase

gaussienne :
partie thermique

parabole :
partie condensée

distribution d'impulsion des molécules

B

B0

2

3

1

4

(aussi à JILA, Innsbruck, MIT, Duke )

double structure CBE

nombres comparables
et tailles très différentes

3 104 molécules

Détermination de

Expansion anisotrope :
hydrodynamique

Lois d'échelle :
détermination de

en bon accord

Théorie

(Petrov et al.)

condensat pur de 2,3 104 molécules

anisotropie 2,0 : hydrodynamique 1,98

Durée de vie des molécules

Relaxation collisionnelle vers
des états profonds non piégés

4 corps : relaxation

bosons

fermions

Le principe de Pauli stabilise
les molécules de fermions
proches de résonance

La durée de vie augmente
à résonance

(Petrov et al.)

durée de vie 1000 fois
plus longue que dans les bosons

Superfluide fermionique

0,4

0,3

0,2

0,1

0

0

1

CBE de molécules

taille

énergie de liaison

exploré

condensation
de paires : BCS

taille

énergie de liaison

en cours

zone de transition :
de nombreux articles théoriques

?

Conclusion

Observation des premiers solitons d'onde de matière

Résonance de Feshbach : un outil très efficace

Gaz dégénéré de molécules : intérêt des fermions

1ère limite du superfluide fermionique

appariement en ondes p : 3He

Perspectives

régime

régime BCS

Merci à tous

F. Schreck

G. Ferrari

K. Corwin

J. Milstein

S. Kokkelmans

L. Khaykovich

F. Chevy

T. Bourdel

C. Salomon

J. Zhang

L. Tarruel

M. Teichmann

D. Sacchet

2004-06-11T09:31:37